Как называется вид батарей которые часто используются для обеспечения космических аппаратов энергией

Обновлено: 01.06.2024

ГОСТ Р 59196-2020
(ИСО 17546:2016)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БАТАРЕИ ЛИТИЙ-ИОННЫЕ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Оценка жизненного цикла

Lithium ion battery for space vehicles. Life cycle assessment

Дата введения 2021-03-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Национальной ассоциацией производителей источников тока "РУСБАТ" (Ассоциация "РУСБАТ") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4, и Федеральным государственным унитарным предприятием "Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия" (ФГУП "СТАНДАРТИНФОРМ")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 044 "Аккумуляторы и батареи"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 ноября 2020 г. N 1132-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 17546:2016* "Космические системы. Батареи литий-ионные для космических аппаратов. Требования к конструкции и подтверждению соответствия" (ISO 17546:2016 "Space systems - Lithium ion battery for space vehicles - Design and verification requirements", MOD) путем изменения отдельных фраз (слов, ссылок), которые выделены в тексте курсивом**, и исключения отдельных положений, которые дублируются по тексту стандарта.

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.

** В оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов в разделе "Предисловие", Приложении ДА и отмеченные знаком "**" в разделе 2 "Нормативные ссылки" приводятся обычным шрифтом; отмеченные в разделе "Предисловие" знаком "***" и остальные по тексту документа выделены курсивом. - Примечания изготовителя базы данных.

Внесение указанных технических отклонений направлено на учет целесообразности использования ссылочных национальных стандартов вместо ссылочных международных стандартов.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации".*** Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на литий-ионные (включая полимерные литий-ионные) аккумуляторные батареи (ЛИАБ) для космических аппаратов (КА) и устанавливает требования к оценке жизненного цикла, включая обеспечение безопасности и верификацию необходимого уровня рабочих характеристик. В настоящем стандарте установлены термины и определения понятий "рабочие характеристики", "безопасность" и "логистика" применительно к ЛИАБ.

Настоящий стандарт распространяется на вторичные (перезаряжаемые) литий-ионные электрохимические системы, в составе положительных и отрицательных электродов которых использованы интеркалированные соединения лития (интеркалированный литий находится в атомной решетке электродного материала в форме ионов или в квазиатомном виде).

Настоящий стандарт распространяется на аккумуляторную батарею в сборе, аккумулятор как составляющий аккумулятор, которые должны соответствовать требованиям, установленным в нормативных документах на конкретный вид ЛИАБ.

Настоящий стандарт не рассматривает вопросы удаления и переработки ЛИАБ, но содержит рекомендации по их удалению.

1.1 Жизненный цикл

Жизненный цикл батареи начинается с момента активации аккумуляторов и продолжается в течение всех последующих этапов изготовления, приемочных испытаний, обслуживания, хранения, транспортирования, предпусковых испытаний, запуска и работы во время полета.

В настоящем стандарте жизненный цикл батареи, начиная с момента активации аккумуляторов до момента запуска, рассмотрен с учетом срока годности, т.к. расчет срока службы и оценка батареи на земле необходимы для обеспечения требуемого уровня рабочих характеристик и безопасности на протяжении всего жизненного цикла, включая эксплуатацию в космосе.

В каждом разделе настоящего стандарта рассмотрены понятия "рабочие характеристики", "безопасность" и "логистика" с учетом специфики каждой стадии жизненного цикла (см. рисунок 1).

Примечание - Стадии 3 и 5 включают в себя период хранения, предусматривающий выполнение проверок некоторых рабочих характеристик.

Рисунок 1 - Жизненный цикл ЛИАБ для КА

1.2 Рабочие характеристики

Для батарей, предназначенных для КА, установлены параметры оценки рабочих характеристик и методы ее проведения. В настоящем стандарте рассмотрены рабочие характеристики батареи на всех стадиях жизненного цикла.

В разделе "рабочие характеристики" установлена терминология, описывающая основные рабочие характеристики батареи, типичное использование (профиль заряда и разряда), обеспечение качества, метод проведения испытаний.

1.3 Безопасность

Настоящий стандарт разработан в соответствии с требованиями ГОСТ Р 57149.

В настоящем стандарте приведены классификация потенциальных видов опасностей в условиях нормального использования в течение жизненного цикла, причины потенциальных опасностей, таких как возгорание, образование разрывов/взрывов, утечка электролита из аккумуляторов, стравливание, прожоги вследствие воздействия чрезмерно высоких внешних температур, образование разрывов корпуса батареи с выходом внутренних компонентов, а также образование дыма. В настоящем стандарте установлены методы проведения анализа типичных рисков, анализ опасности и анализ дерева отказов (АДО) в течение жизненного цикла батареи. Метод контроля опасности распределен и адаптирован к каждому этапу жизненного цикла в соответствии со стандартами на конкретный вид ЛИАБ.

В испытания на соответствие требованиям безопасности включают пункты из [1], часть III, подраздел 38.3 или [2].

В настоящем стандарте установлены меры безопасности при обращении с ЛИАБ для КА. Меры безопасности направлены на снижение риска возгорания или взрыва при использовании ЛИАБ в КА. Возможность применения ЛИАБ зависит от варианта их использования в КА, которые должны соответствовать требованиям безопасности с учетом определенной дальности полета или полезной нагрузки.

Меры безопасности также предназначены для снижения риска травмирования людей в результате пожара или взрыва, когда они находятся на стартовой площадке, при транспортировании, во время проведения испытаний и в процессе изготовления батарей (см. [2]).

1.4 Логистика

В настоящем стандарте понятие "логистика" означает не только физическое распределение и транспортирование батарей, но также описание правил и мер предосторожности при обращении с ними, а также изменение параметров батареи (статус и состояние аппаратуры, рекомендуемые условия окружающей среды) в соответствии с заданными требованиями на каждом этапе жизненного цикла.

В логистику также включены меры предосторожности, применяемые на стадиях изготовления, сборки, обработки, испытаний, хранения, упаковки и транспортирования.

В логистику включены различные меры предосторожности и обоснование их применения для поддержания эксплуатационных характеристик и безопасности ЛИАБ для КА, с учетом соответствующих стандартов и правил. Каждый пункт, в котором приведено описание требований, изложенных в других документах, содержит ссылки на эти документы, так как каждый документ или правило подлежат рассмотрению в отдельном порядке.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52925 Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства

ГОСТ Р 57149-2016/ISO/IEC Guide 51:2014** Аспекты безопасности. Руководящие указания по включению их в стандарты

ГОСТ Р МЭК 62133-2** Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной или другие некислотные электролиты. Требования безопасности портативных герметичных аккумуляторов и батарей из них при портативном применении. Часть 2. Системы на основе лития

ГОСТ Р МЭК 62281** Первичные и вторичные литиевые элементы и батареи. Безопасность при транспортировании. Требования и методы испытаний

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 ускоренные испытания (accelerated test): Испытания, разработанные в целях сокращения времени испытаний на воздействие условий окружающей среды по сравнению с обычной эксплуатацией путем увеличения частоты, амплитуды, продолжительности воздействий или комбинации параметров этих воздействующих во время эксплуатации, факторов окружающей среды.

Примечание - См. [3].

3.2 активация (activation): Процесс приведения собранного аккумулятора в рабочее состояние в процессе производства на предприятии-изготовителе путем заливки электролита, который используется для определения начала срока годности батареи.

Примечание - См. [4]-[7].

3.3 старение (aging): Непрерывная потеря емкости вследствие повторяющегося циклирования или прохождения времени от момента активации.

Примечание - См. [6].

3.4 батарея (battery): Два или более аккумуляторов, электрически соединенные друг с другом, оборудованные устройствами, необходимыми для их использования, например корпусом, выводами, содержащие маркировку и оснащенные защитными устройствами.

1 Батарею, состоящую из одного аккумулятора, рассматривают как "аккумулятор".

2 Батарея также может включать в себя некоторые другие комплектующие, такие как устройства электрического шунтирования, электронные устройства контроля заряда, нагреватели, датчики температуры, тепловые выключатели и элементы терморегуляции (см. [4], [5]).

3 Блоки, которые, как правило, называют "батарейными блоками", "модулями" или "батарейными сборками", главная функция которых служить источниками питания для других частей оборудования, в тексте настоящего стандарта рассматривают как батареи (см. [1]).

3.5 календарная потеря (calendar loss): Ухудшение электрических характеристик с течением времени после активации.

3.6 аккумулятор (cell): Единичное электрохимическое устройство в корпусе (с одним положительным и с одним отрицательным электродом), обладающее разностью потенциалов между двумя его выводами.

Наборы электродов, соединенных электрически внутри корпуса аккумулятора, рассматриваются как один электрод.

Космические аппараты, работающие во внутренней части Солнечной системы, обычно используют фотоэлектрические солнечные панели для получения электричества из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточную мощность в рамках нынешних солнечных технологий и ограничений массы космических аппаратов, поэтому вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи).

СОДЕРЖАНИЕ

История

Первым космическим кораблем, в котором использовались солнечные батареи, был спутник Vanguard 1 , запущенный США в 1958 году. Это произошло во многом благодаря влиянию доктора Ханса Циглера , которого можно считать отцом солнечной энергии космических кораблей. Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%.

Использует

Электроснабжение обеспечивали солнечные батареи на спутнике СММ. Здесь он запечатлен космонавтом в мобильном скафандре, работающем на химической батарее.

Солнечные панели на космическом корабле обеспечивают питание для двух основных целей:

Питание для запуска датчиков, активного нагрева, охлаждения и телеметрии.
Электропитание для силовой установки космического корабля , иногда называемой электрической или солнечно-электрической двигательной установкой.

Для обоих применений ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, деленные на массу солнечной батареи ), которая указывает на относительной основе, сколько мощности будет генерировать одна батарея при заданной стартовой массе по сравнению с другой. Другой ключевой показатель - эффективность упаковки в сложенном состоянии (выработанная мощность в развернутом состоянии, разделенная на сложенный объем), которая показывает, насколько легко массив поместится в ракету-носитель. Еще один ключевой показатель - это стоимость (в долларах за ватт).

Для увеличения удельной мощности типичные солнечные панели на космических кораблях используют плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой для Солнца области солнечных панелей, а не круги солнечных пластин, которые, даже будучи плотно упакованными, покрывают около 90% видимой Солнцу площади типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических кораблях имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой для Солнца области.

Реализация

Схема автобуса космического корабля на планируемом космическом телескопе Джеймса Уэбба , который питается от солнечных батарей (окрашен зеленым на этом изображении 3/4). Обратите внимание, что более короткие светло-фиолетовые удлинители - это оттенки радиаторов, а не солнечных батарей.

Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена к Солнцу при движении космического корабля. Более открытая площадь поверхности означает, что больше электричества может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космический корабль должен быть небольшим, это ограничивает количество вырабатываемой энергии.

Проблемы ионизирующего излучения и смягчение его последствий

Космос содержит различные уровни электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения. Есть 4 источника излучения: радиационные пояса Земли (также называемые поясами Ван Аллена), галактические космические лучи (ГКЛ), солнечный ветер и солнечные вспышки . Пояса Ван Аллена и солнечный ветер содержат в основном протоны и электроны, в то время как GCR - это в основном протоны очень высоких энергий, альфа-частицы и более тяжелые ионы. Солнечные панели со временем будут испытывать снижение эффективности в результате этих типов излучения, но скорость деградации будет сильно зависеть от технологии солнечных элементов и от местоположения космического корабля. С панельными покрытиями из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять от 5 до 10% в год. Другие стеклянные покрытия, такие как плавленый кварц и свинцовые стекла, могут снизить эту потерю эффективности до менее 1% в год. Скорость разложения зависит от спектра дифференциального потока и общей ионизирующей дозы.

Типы обычно используемых солнечных элементов

Вплоть до начала 1990-х годов в солнечных батареях, используемых в космосе, в основном использовались солнечные элементы из кристаллического кремния . С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали более предпочтительными по сравнению с кремнием, поскольку они имеют более высокий КПД и разлагаются медленнее, чем кремний, в условиях космического излучения. Самые эффективные солнечные элементы, производимые в настоящее время, - это многопереходные фотоэлектрические элементы . В них используется комбинация нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для получения большего количества энергии из солнечного спектра. Передовые многопереходные элементы способны превышать 39,2% при неконцентрированном освещении AM1,5G и 47,1% при концентрированном освещении AM1,5G.

Космические аппараты, использовавшие солнечную энергию

Солнечные панели выходят из опоры телескопа Аполлона, питают инструменты солнечной обсерватории на станции Скайлэб, которая также имела дополнительную решетку на главном космическом корабле.

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением двигательной установки, применяется для космических аппаратов, работающих не дальше от Солнца, чем орбита Юпитера . Например, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor и Mars Observer использовали солнечную энергию, как и орбитальный космический телескоп Хаббл . Rosetta космический зонд , запущенный 2 марта 2004, использовал свои 64 квадратных метров (690 кв.м) , солнечных панелей, насколько орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); ранее самым дальним использованием был космический корабль Stardust на высоте 2 а.е. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла .

Миссия Juno , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года), в которой используются солнечные батареи вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает его самым дальним космическим кораблем для использования. солнечные панели на сегодняшний день. Он имеет 72 квадратных метра (780 квадратных футов) панелей.

Insight , Изобретательность вертолет , Tianwen-1 орбитальные и Огненная ровер в настоящее время работают на Марсе также использовать солнечные батареи для эксплуатации.

Еще один интересный космический аппарат - Dawn, который вышел на орбиту около 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели, чтобы добраться до Цереры .

Возможности космических аппаратов на солнечных батареях за пределами Юпитера были изучены.

Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных элементов покрывают около 27 000 квадратных футов (2 500 м 2 ) пространства. Четыре комплекта солнечных батарей питают станцию, а четвертый комплект батарей был установлен в марте 2009 года. Эти солнечные батареи могут вырабатывать 240 киловатт электроэнергии. Это составляет 120 киловатт средней мощности системы, включая 50% времени нахождения МКС в тени Земли.

Гибкие солнечные батареи исследуются для использования в космосе. Раскатать солнечные батареи (РОСА) была размещены на Международной космической станции в июле 2017 года.

Будущее использование

Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечных батарей и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать возможным использование космических кораблей на солнечной энергии на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлементов, гибких подложек и композитных опорных структур. Эффективность солнечной батареи можно повысить за счет использования новых материалов фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Фотовольтаические солнечные батареи-концентраторы для основного питания космических кораблей - это устройства, которые усиливают солнечный свет на фотовольтаике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля , которая захватывает большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем участке, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.

Солнечные концентраторы устанавливают по одной из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет из большой области концентратора в меньшую область ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогих солнечных элементов за счет концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть единственный источник света и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеально подходит для космоса, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы - самая дорогая часть солнечных батарей, а массивы часто являются очень дорогой частью космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить расходы за счет использования меньшего количества материала.

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий - или даже дольше - потребуется новое поколение источников питания. Обозреватель BBC Future решил разобраться, какие варианты есть у конструкторов.

Система питания - жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии - каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду - но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится - нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции - также системы жизнеобеспечения и освещения.

Автор фото, NASA

Двигатели у "Вояджеров" не самые современные, но они успешно прослужили уже 38 лет

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" - то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета - а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

"Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным - если что-либо поломается, чинить будет некому, - говорит Сурампуди. - Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону - более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет".

Автор фото, NASA

В миссии НАСА по отклонению астероидов будет использован новый тип питания от солнечной энергии - более эффективный и долговечный, чем у предшественников

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

Конец истории Подкаст

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях - они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

"Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, - рассказывает специалист. - А при посадке на Юпитер температура будет минус 150".

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона - всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них - это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

Автор фото, NASA

В качестве одного из возможных источников питания для продолжительных миссий рассматривается улучшенный радиоизотопный генератор Стирлинга

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод - к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными - хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Для обеспечения энергией таких поселений, скорее всего, потребуются новые типы горючего

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур - это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе - а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 - этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы - особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества - в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

"Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, - говорит Сурампуди. - В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле".

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

"Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос", - объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния - но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс - и еще дальше.

Космический аппарат (КА) — общее название технических устройств, используемых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также проведения исследовательских и иного рода работ на поверхности различных небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты-носители или самолёты.

Космический аппарат, одной из основных задач которого является транспортировка людей или оборудования в верхней части земной атмосферы — так называемом, ближнем космосе, называют космическим кораблём (КК) или космическим летательным аппаратом (КЛА).

Области использования космических аппаратов обуславливают их разделение по следующим группам:

суборбитальные;
околоземные орбитальные, движущиеся по геоцентрическим орбитам искусственных спутников Земли;
межпланетные (экспедиционные);
напланетные.

В активно исследуемых в последнее время проектах создания орбитально-гиперзвуковых летательных аппаратов как частей авиационно-космических систем (АКС) часто используют ещё названия воздушно-космический аппарат (ВКА), обозначая космопланы и космолёты АКС, предназначенные для выполнения управляемого полёта, как в безвоздушном космическом пространстве, так и в плотной атмосфере Земли.

В то время как стран, имеющих ИСЗ — несколько десятков, наиболее сложные технологии автоматических возвращаемых и межпланетных КА освоили всего несколько стран — СССР/Россия, США, Китай, Япония, Индия, Европа/ESA. Пилотируемые КК имеют только первые три из них (кроме того, Япония и Европа имеют КА, посещаемые людьми на орбите, в виде модулей и грузовиков МКС). Также только первые три из них имеют технологии перехвата ИСЗ на орбите (хотя Япония и Европа близки к ней ввиду проведения стыковок).

В 2005 году состоялось 55 запусков космических аппаратов (самих аппаратов было больше, так как за один запуск может выводиться несколько аппаратов). На долю России пришлось 26 запусков. Число коммерческих запусков составило 18.

искусственные спутники Земли — общее название всех аппаратов, находящихся на геоцентрической орбите, то есть вращающихся вокруг Земли
автоматические межпланетные станции (космические зонды) — аппараты, осуществляющие перелёт между Землёй и другими космическими телами Солнечной системы; при этом они могут как выходить на орбиту вокруг изучаемого тела, так и исследовать их с пролётных траекторий, некоторые аппараты после этого направляются за пределы Солнечной системы
космические корабли, автоматические или пилотируемые, — используются для доставки грузов и человека на орбиту Земли; существуют планы полётов на орбиты других планет
орбитальные станции — аппараты, предназначенные для долговременного пребывания и работы людей на орбите Земли
спускаемые аппараты — используются для доставки людей и материалов с орбиты вокруг планеты или межпланетной траектории на поверхность планеты
планетоходы — автоматические лабораторные комплексы или транспортные средства, для перемещения по поверхности планеты и другого небесного тела

По наличию функции возвращения:

Возвращаемые — предусматривают возвращения людей и материалов на Землю, осуществляя мягкую либо жёсткую посадку
Невозвращаемые — при выработке ресурса обычно сходят с орбиты и сгорают в атмосфере

По выполняемым функциям выделяют следующие классы:

метеорологические
навигационные
спутники связи, телевещания, телекоммуникационные спутники
научно-исследовательские
геофизические
геодезические
астрономические
дистанционного зондирования Земли
разведывательные и военные спутники
другие
Многие космические аппараты выполняют сразу несколько функций.

Также по массовым характеристикам:

фемто- — до 100 г
пико- — до 1 кг
нано- — 1-10 кг
микро- — 10-100 кг
мини- — 100—500 кг
малые — 500—1000 кг
большие — более 1000 кг

В общем случае, в полёте космического аппарата выделяются участок выведения, участок орбитального полёта и участок посадки. На участке выведения космический аппарат должен приобрести необходимую космическую скорость в заданном направлении. Орбитальный участок характеризуется инерциальным движением аппарата в соответствии с законами небесной механики. Посадочный участок призван погасить скорость возвращающегося аппарата до допустимой посадочной скорости.

Космический аппарат состоит из нескольких составных частей, прежде всего — это целевая аппаратура, которая обеспечивает выполнение стоящей перед космическим аппаратом задачи. Помимо целевой аппаратуры обычно присутствует целый ряд служебных систем, которые обеспечивают длительное функционирование аппарата в условиях космического пространства, это: системы энергообеспечения, терморегуляции, радиационной защиты, управления движением, ориентации, аварийного спасения, посадки, управления, отделения от носителя, разделения и стыковки, бортового радиокомплекса, жизнеобеспечения. В зависимости от выполняемой космическим аппаратом функции отдельные из перечисленных служебных систем могут отсутствовать, например, спутники связи не имеют систем аварийного спасения, жизнеобеспечения.

Подавляющее большинство систем космического аппарата требуют электропитания, в качестве источника электроэнергии обычно используется связка из солнечных батарей и химических аккумуляторов. Реже используются иные источники, такие как топливные элементы, радиоизотопные батареи, ядерные реакторы, одноразовые гальванические элементы.

Космический аппарат непрерывно получает тепло от внутренних источников (приборы, агрегаты и т. д.) и от внешних: прямого солнечного излучения, отражённого от планеты излучения, собственного излучения планеты, трения об остатки атмосферы планеты на высоте аппарата. Также аппарат теряет тепло в виде излучения. Многие узлы космических аппаратов требовательны к температурному режиму, не терпят перегрева или переохлаждения. Поддержанием баланса между получаемой тепловой энергией и её отдачей, перераспределением тепловой энергией между конструкциями аппарата и таким образом обеспечением заданной температуры занимается система обеспечения теплового режима.

Система управления космического аппарата – осуществляет управление двигательной установкой аппарата с целью обеспечения ориентации аппарата, выполнения манёвров. Обычно имеет связи с целевой аппаратурой, другими служебными подсистемами с целью контроля и управления их состоянием. Как правило, способна обмениваться посредством бортового радиокомплекса с наземными службами управления.

Для обеспечения контроля состояния космического аппарата, управления, передачи информации с целевой аппаратуры требуется канал связи с наземным комплексом управления. В основном для этого используется радиосвязь. При большом удалении КА от Земли требуются остронаправленные антенны и системы их наведения.

Система жизнеобеспечения необходима для пилотируемых КА, а также для аппаратов, на борту которых осуществляются биологические эксперименты. Включает запасы необходимых веществ, а также системы регенерации и утилизации.

Система ориентации космического аппарата включает устройства определения текущей ориентации КА (солнечный датчик, звёздные датчики и т. п.) и исполнительные органы (двигатели ориентации и силовые гироскопы).

Двигательная установка космического аппарата позволяет менять скорость и направление движения КА. Обычно используется химический ракетный двигатель, но это могут быть и электрические, ядерные и другие двигатели; может применяться также солнечный парус.

Система аварийного спасения космического аппарата характерна для пилотируемых космических аппаратов, а также для аппаратов с ядерными реакторами (УС-А) и ядерными боезарядами (Р-36орб).

Читайте также: